Sistema de tiempo real


Sistema de tiempo real

Existen muchas definiciones de tiempo real, muchas de ellas contradictorias. Desafortunadamente el tema es controvertido, y no parece haber acuerdo sobre la terminología.

La definición canónica de un sistema de tiempo real (de Donald Gillies) es la siguiente:

Un sistema de tiempo real es aquel en el que para que las operaciones computacionales sean correctas no solo es necesario que la lógica e implementación de los programas computacionales sea correcto, sino también el tiempo en el que dicha operación entregó su resultado. Si las restricciones de tiempo no son respetadas el sistema se dice que ha fallado.

Otros han agregado:

Por lo tanto, es esencial que las restricciones de tiempo en los sistemas sean cumplidas. Para garantizar el comportamiento en el tiempo requerido necesita que el sistema sea predecible. Es también deseable que el sistema obtenga un alto grado de utilización a la vez que cumple con los requerimientos de tiempo.

Un buen ejemplo es el de un robot que necesita tomar una pieza de una banda sinfín. Si el robot llega tarde, la pieza ya no estará donde debía recogerla. Por lo tanto el trabajo se llevó a cabo incorrectamente, aunque el robot haya llegado al lugar adecuado. Si el robot llega antes de que la pieza llegue, la pieza aún no estará ahí y el robot puede bloquear su paso.

En algunas ocasiones podemos ver referencias sobre sistemas de tiempo real cuando solo se quiere decir que el sistema es rápido. Cabe mencionar que tiempo real no es sinónimo de rapidez; esto significa que no es la latencia de la respuesta lo que nos enfoca en un sistema de tiempo real (esta latencia a veces está en el orden de los segundos), el enfoque en tiempo real de la latencia es el asegurarse de que la latencia del sistema es la suficiente para resolver el problema al que el sistema está dedicado.

Si el tener una falla en el tiempo de latencia de un proceso del sistema lleva como consecuencia un error en el sistema entonces esos procesos se consideran de tiempo real duro. Si el tener una falla en un proceso del sistema no conlleva una falla en el sistema siempre y cuando esta falla este dentro de ciertos límites establecidos (es posible fallar en la latencia una de cada 1000 veces o una de cada 100, o fallar siempre y cuando el error no exceda el 3% de la latencia) entonces esos procesos se llaman procesos de tiempo real suave.

Si el funcionamiento incorrecto del sistema puede llevar a la pérdida de vidas o catástrofes similares entonces el sistema de tiempo real es nombrado como sistema de tiempo real de misión crítica.

Contenido

Características de los sistemas de tiempo real

Determinismo

El determinismo es una cualidad clave en los sistemas de tiempo real. Es la capacidad de determinar con una alta probabilidad, cuanto es el tiempo que se toma una tarea en iniciarse. Esto es importante por que los sistemas de tiempo real necesitan que ciertas tareas se ejecuten antes de que otras puedan iniciar.

Esta característica se refiere al tiempo que tarda el sistema antes de responder a una interrupción. Este dato es importante saberlo por que casi todas las peticiones de interrupción se generan por eventos externos al sistema (i.e. por una petición de servicio), así que es importante determinar el tiempo que tardara el sistema en aceptar esta petición de servicio.

Responsividad

La responsividad se enfoca en el tiempo que tarda una tarea en ejecutarse una vez que la interrupción ha sido atendida. Los aspectos a los que se enfoca son:

  • La cantidad de tiempo que se lleva el iniciar la ejecución de una interrupción
  • La cantidad de tiempo que se necesita para realizar la tarea que pidió la interrupción.
  • Los efectos de interrupciones anidadas.

Una vez que el resultado del cálculo de determinismo y responsividad es obtenido, se convierte en una característica del sistema y un requerimiento para las aplicaciones que correrán en él,(por ejemplo, si diseñamos una aplicación en un sistema en el cual el 95% de las tareas deben terminar en cierto período entonces es recomendable asegurarse que las tareas ejecutadas de nuestra aplicación no caigan en el 5% de bajo desempeño)

Usuarios controladores

En estos sistemas, el usuario (por ejemplo, los procesos que corren en el sistema) tienen un control mucho más amplio del sistema.

  • El proceso es capaz de especificar su prioridad
  • El proceso es capaz de especificar el manejo de memoria que requiere (que parte estará en caché y que parte en memoria swap y que algoritmos de memoria swap usar)
  • El proceso especifica que derechos tiene sobre el sistema.

Esto aunque parece anárquico no lo es, debido a que los sistemas de tiempo real usan tipos de procesos que ya incluyen estas características, y usualmente estos TIPOS de procesos son mencionados como requerimientos. Un ejemplo es el siguiente:

Los procesos de mantenimiento no deberán exceder el 3% de la capacidad del procesador, a menos que en el momento que sean ejecutados el sistema se encuentre en la ventana de tiempo de menor uso.

Confiabilidad

La confiabilidad en un sistema de tiempo real es otra característica clave. El sistema no debe solamente estar libre de fallas pero más aún, la calidad del servicio que presta no debe degradarse más allá de un límite determinado.

El sistema debe de seguir en funcionamiento a pesar de catástrofes, o fallas mecánicas. Usualmente una degradación en el servicio en un sistema de tiempo real lleva consecuencias catastróficas,

Operación a prueba de fallas duras (Fail soft operation)

El sistema debe de fallar de manera que: cuando ocurra una falla, el sistema preserve la mayor parte de los datos y capacidades del sistema en la mayor medida posible.

Que el sistema sea estable, es decir, que si para el sistema es imposible cumplir con todas las tareas sin exceder sus restricciones de tiempo, entonces el sistema cumplirá con las tareas más críticas y de más alta prioridad.

Los sistemas de tiempo real y el análisis de sus requerimientos

Debido que los sistemas de tiempo real tienen características especiales diferentes a los demás tipos de sistemas y que los sistemas operativos de tiempo real relegan a sus usuarios el cumplimiento de estos requerimientos (según la característica de usuarios controladores vista en el capítulo anterior) es importante mencionar que este tipo de requerimientos deben de tomarse en cuenta en el proceso de desarrollo.

Sin embargo, como estos requerimientos no forman parte de una sola funcionalidad del sistema sino que forman parte de todo el sistema a menudo se definen como requerimientos no funcionales.

También se argumenta que como no son parte de la aplicación sino que es como se comporta una aplicación al introducirse en un ambiente de tiempo real entonces estos son una Característica del sistema, más que un requerimiento.

Los dos puntos de vista son erróneos, si bien es cierto que los requerimientos referentes al tiempo real se aplican a todo el sistema, a menudo tenemos que agregar o modificar software, interfaces o hardware para que estos requerimientos se cumplan, más aún, el software debe de estar preparado para que en la eventualidad de que un trabajo no cumpla con sus requerimientos de tiempo, cancele los demás trabajos relacionados con el (si una petición de entrada/salida toma más del tiempo establecido y se cancela por el sistema, el software de entrada/salida debe de informar al usuario del proceso que este evento ocurrió). Esto es claramente parte de la funcionalidad y de comportamiento del sistema. Por lo que clasificar esta restricción como requerimiento no funcional es incorrecto.

Si argumentáramos que: al ser parte de todo el sistema son una característica del sistema más que un requerimiento estaríamos diciendo que estas restricciones se cumplen con el solo hecho de pertenecer al sistema. Una característica es algo que ya esta en el sistema y que no puede ser calificada como errónea o correcta, y una restricción deberá de ser cumplida siempre y la forma en que estas restricciones se cumplen puede ser validada como errónea o correcta. Por lo que estas restricciones tampoco son una característica del sistema.

Referencias


Wikimedia foundation. 2010.

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